材料力学性能第十章

材料力学性能

裴立宅材料科学与工程学院Email:lzpei1977@163.com,lzpei@

2/6/20231安徽工业大学材料科学与工程学院第十章陶瓷材料的力学性能2/6/20232安徽工业大学材料科学与工程学院陶瓷广泛应用于我们的日常生活，如建筑材料、饮食餐具等以及国家战略战备设施，如武器装备、航天领域上。传统的陶瓷制品以天然粘土为原料，通过混料、成型、烧结而成，性能特点是强度低、脆性高。目前研究的陶瓷可以分为结构陶瓷和功能陶瓷。2/6/20233安徽工业大学材料科学与工程学院结构陶瓷主要利用的是材料的耐高温、强度、硬度、韧性、耐磨性等结构性能，主要包括氧化物、非氧化物以及其两者的复合系统，如氧化铝、氧化锆、碳化物、氮化物等材料。应用：磨料、磨具、刀具，纺织瓷件、轴承、喷嘴、人工关节以及航天材料（宇宙飞船的外保护装置）等各个领域。2/6/20234安徽工业大学材料科学与工程学院功能陶瓷指具有优异的物理性能、化学性能及生物学性能，如电、光、磁、热、声、化学、生物医学，且各种功能之间可以相互转换的陶瓷材料，应用主要取决于电绝缘性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性及生物适应性、化学吸附性等。2/6/20235安徽工业大学材料科学与工程学院工程陶瓷的定义：采用高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成，经过特殊工艺加工而得到的结构精细、力学性能和热学性质优良的陶瓷材料。2/6/20236安徽工业大学材料科学与工程学院在金属、聚合物因腐蚀和软化而不能使用的服役条件下，工程陶瓷就显示出了其性能的优越性。航天飞机顶部、高温燃烧室内壁温度均大于1500℃，近年来美国已经研制出可以承受2760℃的耐超高温陶瓷材料，可用于新一代宇宙飞船及导弹上。核电站需要耐2000℃高温的耐热材料，但目前高温耐热合金的极限温度仅为1100℃，能胜任上述服役条件的就只有高温结构陶瓷。2/6/20237安徽工业大学材料科学与工程学院在发动机上使用高性能结构工程陶瓷材料，除具有优良的耐磨损、耐腐蚀性能外，还可将发动机的耐温能力从900℃提高到1200-1300℃，且无需冷却系统，可使热效率从30%提高到50%，发动机重量减轻20%，耗油量降低30%以上。国内天津新技术产业园合润公司研制出了高性能碳化硅陶瓷密封件，其使用寿命比一般密封件长5到20倍，这对于替代进口、节约资源和保护环境等意义重大，具有较大的经济价值与社会效益。2/6/20238安徽工业大学材料科学与工程学院工程陶瓷的局限：塑性、韧性值比金属低得多，对缺陷很敏感，强度可靠性较差，常用韦伯模数来表征其强度的均匀性。韦伯模数：韦伯，德数学家统计断裂力学中Weibull概率分布的一个参数。在工程陶瓷上，韦伯模数多用于反映强度的离散性，用字母m表示。m值越高，离散性越小，但在寿命统计分析中也可用韦伯分布，这时m反映寿命的离散性，与强度分析中的韦伯的模数不完全一致。韦伯模数的确定，一般来说须做一组至少16条以上试样的相同试验才具有可信度。2/6/20239安徽工业大学材料科学与工程学院第一节陶瓷材料的结构一、陶瓷材料的组成与结合键负电性所体现的是一个原于吸住电子的能力，元素的负电性与其在周期表中的位置有关，大约当负电性差∆X<0.4～0.5时，对形成固溶体有利，当∆X增大时，则形成化合物的倾向增大。2/6/202310安徽工业大学材料科学与工程学院二、陶瓷材料的显微结构显微结构：相和相分布、晶粒尺寸及形状、气孔大小及分布、杂质缺陷及晶界陶瓷材料的组成：（1）晶相（2）玻璃相（3）气孔2/6/202311安徽工业大学材料科学与工程学院如果玻璃相分布于主晶相界面，在高温下陶瓷材料的强度下降，易于产生塑性变形。对陶瓷烧结体进行热处理，使晶界玻璃相重结晶或进入晶相固溶体，可显著提高陶瓷材料的高温强度。2/6/202312安徽工业大学材料科学与工程学院腐蚀后微晶陶瓷的SEM图像.(a)850℃、1h+900℃、1h，w(CaF2)=9%,(b)1h+900℃、1h，w(CaF2)=9%(a)(b)2/6/202313安徽工业大学材料科学与工程学院第二节陶瓷材料的变形与断裂一、陶瓷材料的弹性变形2/6/202314安徽工业大学材料科学与工程学院陶瓷与金属相比，其弹性变形具有如下特点：1）弹性模量大共价键具有方向性，使晶体具有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的能力。离子键晶体结构的键方向不明显，但滑移系受原子密排方向的限制，还受静电作用力的限制，其实际可动滑移系较少。另外，陶瓷为多元化合物，晶体结构复杂，点阵常数较金属晶体大，所以弹性模量较高。2/6/202315安徽工业大学材料科学与工程学院2）弹性模量不仅与结合键有关，还与组成相的种类、分布比例及气孔率有关。3）一般陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量。2/6/202316安徽工业大学材料科学与工程学院二、陶瓷材料的塑性变形近年的研究表明陶瓷材料在高温下可显示出超塑性：（1）晶粒细小（尺寸小于一微米）（2）晶粒为等轴结构（3）第二相弥散分布，能有效抑制高温下基体晶粒生长（4）晶粒间存在液相或无定形相2/6/202317安徽工业大学材料科学与工程学院典型的超塑性陶瓷材料：是用化学沉淀方法制备出来的含有Y2O3的ZrO2粉体，成型后于1250℃左右烧结，可获得理论密度98%左右的烧结体。这种陶瓷在1250℃、3.5×10-2s-1应变速率下，最大应变量可达400%。陶瓷的超塑性是微晶超塑性，与晶界滑动或晶界液相流动有关，属于扩散控制过程。2/6/202318安徽工业大学材料科学与工程学院三、陶瓷材料的断裂陶瓷材料的断裂过程都是以材料内部或表面存在的缺陷为起点发生的，晶粒和气孔尺寸在决定陶瓷材料强度与裂纹尺寸方面具有等效作用。陶瓷材料断裂概率以最弱环节理论为基础，按韦伯分布函数考虑，韦伯分布函数表示材料断裂概率的一般公式为：2/6/202319安徽工业大学材料科学与工程学院解理是陶瓷材料的主要断裂机理，且很容易从穿晶解理转变成沿晶断裂。陶瓷材料的断裂以各种缺陷为裂纹源，在一定拉伸应力作用下，从最薄弱环节处的微小裂纹扩展，当裂纹尺寸达到临界值时陶瓷瞬间断裂。2/6/202320安徽工业大学材料科学与工程学院第三节陶瓷材料的强度2/6/202321安徽工业大学材料科学与工程学院一、抗弯强度2/6/202322安徽工业大学材料科学与工程学院四点弯曲试验的最大弯矩范围较宽，其应力状态接近实际零件的服役状态，所以较为实用。由于四点弯曲试样工作部分缺陷存在的概率较大，所以同一材料的四点抗弯强度比三点抗弯强度低。材料的韦伯常数越小，三点抗弯强度和四点抗弯强度的差值就越大。2/6/202323安徽工业大学材料科学与工程学院二、抗拉强度设计陶瓷零件时常用抗拉强度值作为判据；陶瓷材料由于脆性大，在拉伸试验时易在夹持部位断裂，另外，夹具与试样轴心不一致产生附加弯矩，所以往往测不出陶瓷材料真正的抗拉强度。为保证陶瓷材料拉伸试验的精确性，需要在试样和夹头设计方向做一些工作，例如：在平行夹头中加橡胶垫固定薄片状试样，可以防止试样在夹持部位断裂，并利用试样的弹性变形减少附加弯矩。2/6/202324安徽工业大学材料科学与工程学院2/6/202325安徽工业大学材料科学与工程学院三、抗压强度2/6/202326安徽工业大学材料科学与工程学院第四节陶瓷材料的硬度与耐磨性一、陶瓷材料的硬度2/6/202327安徽工业大学材料科学与工程学院二、陶瓷材料的耐磨性（一）陶瓷材料的表面接触特性与金属相同，陶瓷表面也存在局部微凸起，其外侧常有水蒸气或碳氢化合物形成的表面层，而在内侧则可能有变形层，这是陶瓷加工时形成的，陶瓷表面加工时还可能产生微裂纹或其它缺陷，所以陶瓷的表面状况影响其摩擦磨损行为。陶瓷材料的摩擦副接触受载时，真实接触面积上的局部应力一般引起弹性变形。2/6/202328安徽工业大学材料科学与工程学院但是当陶瓷摩擦副相对滑动时，可以看到陶瓷摩擦表面有塑性流动迹象，在接触点下方有微小塑性变形区。另外，由于陶瓷的高脆性，在接触载荷不大时，即还未产生较大塑性变形，表面及亚表面就可能产生微裂纹。2/6/202329安徽工业大学材料科学与工程学院（二）陶瓷材料的摩擦磨损陶瓷材料的摩擦磨损学特性，与对摩件的种类和性能、摩擦条件、环境以及陶瓷材料自身的性能和表面状态等因素有关。陶瓷材料在滑动摩擦条件下的磨损过程不同于金属材料,其磨损机理主要是以微断裂方式导致的磨粒磨损。2/6/202330安徽工业大学材料科学与工程学院陶瓷与陶瓷材料配对的摩擦副，其粘着倾向很小；金属与陶瓷的摩擦副比金属配对的摩擦副粘着作用也小。陶瓷材料的这种优良的耐磨性能，使其在要求极小磨损率的机件上得到了广泛应用。由于陶瓷对环境介质和气氛敏感，所以在特定条件下还可能形成摩擦化学磨损，这是陶瓷特有的磨损机理。这种磨损涉及表面、材料结构、热力学与化学共同作用的摩擦化学问题。2/6/202331安徽工业大学材料科学与工程学院第五节陶瓷材料的断裂韧度与增韧一、陶瓷材料的断裂韧度工程陶瓷材料的断裂韧度值比金属的低1-2个数量级2/6/202332安徽工业大学材料科学与工程学院1.单边切口梁法（SingleEdgeNotchedBeam，又称SENB法）2/6/202333安徽工业大学材料科学与工程学院当L/W=4时，应力强度因子KI的表达式为：2/6/202334安徽工业大学材料科学与工程学院优点：(1)数据分散性好；(2)重现性好；(3)试样加工和测定方法比较简单，是目前广泛采用的一种方法。SENB法适用于在高温和各种介质条件下测定KIC缺点：测定的KIC值受切口宽度影响较大，切口宽度增加，KIC增大，误差随之增大。如果能将切口宽度控制在0.05~0.10mm以下，或在切口顶端预制一定长度的裂纹，可望提高KIC值的稳定性。2/6/202335安徽工业大学材料科学与工程学院2.山形切口法（chevronNotch，又称CN法）2/6/202336安徽工业大学材料科学与工程学院陶瓷是脆性材料，弯曲或拉伸加载时，裂纹一旦出现，极易产生失稳断裂。山形切口法中切口剩余部分为三角形，其顶点处存在应力集中现象，易在较低载荷下产生裂纹，所以不需要预制裂纹。当试验参数合适时，这种方法能产生裂纹稳定扩展，直至断裂。山形切口法切口宽度对KIC值影响较小，测定值误差也较小，也适用于高温和在各种介质中测定KIC值，但是测试试样加工较困难，且需要专用的夹具。2/6/202337安徽工业大学材料科学与工程学院3.压痕法测试过程：用维氏或显微硬度压头，压入抛光的陶瓷试样表面，在压痕时对角线方向出现四条裂纹，测定裂纹长度，根据载荷与裂纹长度的关系，求出KIC值。压入维氏硬度压头的载荷常用29.4N，使压痕对角线裂纹长度在100μm左右，裂纹为半椭圆或半圆形。2/6/202338安徽工业大学材料科学与工程学院压痕法的优点：测试方便，可以用很小的试样进行多点韧度测试，但此法只对能产生良好压痕裂纹的材料有效。压痕法的缺点：由于裂纹的产生主要是残余应力的作用，而残余应力又是因为压痕周围塑性区与弹性基体不匹配引起的。因此，这种方法不允许压头下部材料在加载过程中产生相变或体积致密化现象，同时压痕表面也不能有碎裂现象。2/6/202339安徽工业大学材料科学与工程学院2/6/202340安徽工业大学材料科学与工程学院二、陶瓷材料的增韧工程陶瓷材料的脆性大，应用受到限制，所以陶瓷材料的增韧一直是材料学界研究的热点之一。通常金属材料的强度提高，塑性往往下降，断裂韧度也随之降低。而陶瓷材料的强度与断裂韧度的变化关系与金属材料的相反，随着陶瓷材料强度的提高，KIC值也随之增大，所以陶瓷材料的增韧常常与增强联系在一起。2/6/202341安徽工业大学材料科学与工程学院(1)改善陶瓷显微结构陶瓷材料的增韧途径：使材料达到细、密、匀、纯，是陶瓷材料增韧增强的有效途径之一。2/6/202342安徽工业大学材料科学与工程学院(2)相变增韧这是ZrO2陶瓷的典型增韧机理，通过四方相转变成单斜相来实现。ZrO2陶瓷有三种晶型，从高温冷至室温时将发生如下转变：2/6/202343安徽工业大学材料科学与工程学院例如：热压烧结含钇的四方氧化锆多晶体，KIC值可达15.3MPa·m1/2；氧化锆增韧氧化铝陶瓷，KIC值可达15MPa·m1/2；热压烧结Si3N4，其中ZrO2的含量为20-25vol%时，KIC值可提高到8.5MPa·m1/2。相变增韧受使用温度的限制，当温度超过800℃时，四方t-ZrO2由亚稳态变成稳定态，t-ZrO2

→m-ZrO2相变不再发生，所以相变增韧失去作用。2/6/202344安徽工业大学材料科学与工程学院(3)微裂纹增韧引起微裂纹的原因：①相变体积膨胀产生微裂纹；②由于温度变化基体相与分散相之间热膨胀系数不同引发微裂纹；③还可能是材料原来已经存在的微裂纹。当主裂纹遇到这些裂纹时会发生分叉转向前进，增加扩展过程中的表面能，同时，主裂纹尖端应力集中被松弛，致使扩展速度减慢，这些因素都使材料的韧性增加。2/6/202345安徽工业大学材料科学与工程学院第六节陶瓷材料的疲劳一、陶瓷材料的疲劳类型陶瓷材料的疲劳，除在循环载荷作用下存在机械疲劳效应外，其含义要比金属材料的要广。静态疲劳：在静载荷作用下，陶瓷承载能力随着时间延长而下降的断裂现象；动态疲劳：恒加载速率下，陶瓷承载能力随着时间延长而下降的断裂现象。2/6/202346安徽工业大学材料科学与工程学院（一）静态疲劳当外加应力低于断裂应力时，陶瓷材料也可能出现亚临界裂纹扩展，这一过程与温度、应力和环境介质等因素密切相关。2/6/202347安徽工业大学材料科学与工程学院2/6/202348安徽工业大学材料科学与工程学院（二）循环疲劳1987年，研究发现单相陶瓷、相变增韧陶瓷以及陶瓷基复合材料缺口试样，在室温循环压缩载荷作用下也有疲劳裂纹萌生和扩展现象。图10-13是多晶氧化铝（晶粒尺寸10微米）在室温空气环境对称循环加载（f=5Hz）及在静载下的裂纹扩展特征。2/6/202349安徽工业大学材料科学与工程学院二、陶瓷材料的疲劳特性评价2/6/202350安徽工业大学材料科学与工程学院一般来讲，金属随着屈服强度增大，△Kth下降不多，但KIC值显著降低，所以△Kth/KIC值增大。这表明随材料屈服强度增加，其疲劳裂纹难以萌生，陶瓷材料的△Kth/KIC值比金属大得多，说明陶瓷更难产生疲劳裂纹。陶瓷材料在室温及大气中也会产生应力腐蚀断裂，其应力腐蚀门槛值KISCC与KIC的比值较钢低，陶瓷材料的KISCC/KIC值比△Kth/KIC值大，所以陶瓷材料的应力腐蚀开裂比疲劳更难产生。KISCC：应力腐蚀门槛值，应力腐蚀临界应力场强度因子，是指试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子。2/6/202351安徽工业大学材料科学与工程学院第七节陶瓷材料的抗热震性热震破坏分为两类：1.热震断裂：热震引起的突然断裂；2.热震损伤：热冲击循环作用下，材料先出现列裂，随后裂纹扩展，导致材料强度降低，最终整体破坏。2/6/202352安徽工业大学材料科学与工程学院在各种热环境下引起的热应力，以及与之相应的应力强度因子是热震破坏的原因，当材料固有的强度不足以抵抗热震温差引起的热应力时，将导致材料瞬时热震断裂。热震损伤过程：当热应力导致的储存于材料中的应变能足以支付裂纹成核和扩展所需的新增表面能时，裂纹就形成和扩展，随着反复加热、冷却和裂纹扩展，强度急剧降低，机件局